國外AC 25 kV高速剛性接觸網系統弓網動態測試分析

王 田，王 宏，王北維，羅雁康，嚴小賓

0 引言

近年來，剛性懸掛接觸網系統以其零部件少、凈空要求低、載流量大、可靠性高、維修便捷等優點[1]，在我國軌道交通領域得到廣泛應用。自2003年6月我國首個剛性接觸網系統在廣州地鐵2號線投運以來，運營實踐證明其運行效果良好[2]，并在國內蘭武二線烏鞘嶺隧道、青藏鐵路新關角隧道、南疆鐵路中天山隧道的鐵路工程中有所應用。目前，國內剛性接觸網系統最高運行速度為160 km/h，尚無160 km/h以上速度等級的運行案例或測試記錄[3]。

1 S tanton隧道剛性懸掛系統介紹

Stanton隧道位于英國萊仕特郡（Leicestershire），隧道形式為單洞雙線隧道，軌道基礎采用有砟道床，電壓等級AC 25 kV，其剛性懸掛段長度1.2 km，是英國第一條采用高速剛性懸掛接觸網系統的線路。Stanton隧道剛性懸掛系統采用7.5 m跨距布置，CR4（四代）匯流排，鉸鏈式水平懸臂，定位點為彈性定位，設計時速220 km，運營時速200 km，于2016年6月14—16日進行了145～200 km/h速度的弓網測試，驗證Stanton隧道剛性懸掛接觸網系統的適用性和可靠性。

2 弓網測試評價標準

根據國際電工委員會IEC 62486-2017標準和歐盟TSI（Technical Specification for Interoperability）鐵路互聯互通技術規范[4]，AC 25 kV剛性接觸網系統弓網動態性能評價相關標準的規定如表1所示。

由弓網接觸力評價標準可以看出，在最小接觸力Fmin和最大接觸力Fmax處于0～350 N的情況下，剛性接觸網系統弓網受流質量可以用平均接觸力Fm與接觸力標準差σ的關系來衡量，這也是對弓網受流質量進行評價的普適性方法。為了驗證本次弓網測試完全符合上述標準，增加本次弓網測試獲得的接觸力數據可信度，以更高的標準和要求對已獲取弓網接觸力數據進行合理性檢驗，本次弓網測試中，對于平均接觸力Fm與接觸力標準差σ的關系，在滿足上述標準的前提下采用一種更加嚴格的考量標準：①σ/Fm＜0.25；②Fm- 3σ＞25 N；③Fm-3σ＞0.3Fm。采用該弓網受流評價標準，對剛性接觸網系統的可靠性和弓網適應性提出了更高的要求，進一步確保剛性接觸網系統在高速運行下安全可靠。

表1 AC 25 kV剛性接觸網系統弓網動態接觸力評價標準

3 弓網測試設備與受電弓布置

（1）車輛：使用2組（每組5列編組）且每組帶有一個受電弓的Hitachi Class 800 units測試車輛，以此構成雙弓牽引的取流制式，受電弓型號為Brecknell Willis HSX 250型，前弓靜態接觸力70 N，后弓靜態接觸力90 N。

（2）受電弓布置：測試列車采用雙弓牽引，2組列車每組各配備一個受電弓，受電弓間距為200 m，前車順弓后車逆弓的布置形式（圖1），測試速度范圍為145～200 km/h。

圖1 測試列車雙弓牽引弓間距200 m布置形式

（3）設備：弓網動態測試數據采用DB System Technik公司（德國鐵路系統技術公司，簡稱DBST）的遙測設備進行收集。該設備在歐洲境內的鐵路領域應用廣泛，其測試精度經過了弓網動態測試驗證并遵循歐洲標準EN 50317的規定，測試數據經過計算機處理后可進行可視化展示，并可以文件、視頻影像等形式輸出。

4 弓網測試結果

基于以上測試車輛、受電弓布置以及相關測試設備，針對Stanton隧道剛性接觸網系統區間（K186+581.8～K187+786.4）進行了為期3天的弓網檢測，按照速度145、160、175、190、200 km/h共5個速度等級進行測試，收集并整理了在弓間距為200 m布置下各個速度等級下弓網動態測試接觸力波形圖、接觸力指標特征值以及接觸力指標統計圖。

4.1 接觸力測試波形圖

Stanton隧道剛性接觸網系統在5個速度等級下的弓網接觸力波形見圖2。由于篇幅原因，本文只展示在Stanton隧道K186+581.8～K187+786.4剛性接觸網區間內300 m長度區段的弓網接觸力測試波形。

圖2 S tanton隧道剛性接觸網系統前后弓接觸力測試波形

4.2 接觸力指標特征值統計

將Stanton隧道剛性接觸網系統弓網接觸力特征值進行統計，在速度145、160、175、190、200 km/h共5個速度等級下，各項指標均符合標準要求，表明弓網受流質量良好，具體見表2。

表2 S tanton隧道剛性接觸網系統弓網接觸力指標特征值統計

4.3 接觸力指標曲線圖

基于以上測試數據，針對不同的速度等級繪制Stanton隧道剛性接觸網系統弓網接觸力特征值統計圖，如圖3所示。

圖3 S tanton隧道不同速度等級弓網接觸力統計

5 弓網測試數據分析

（1）受電弓在空氣介質中運行會受到氣動作用力，且隨著速度的提高將會在弓網系統中形成不穩定性氣流[5]。由表2可以看出，在145～200 km/h的速度范圍內，弓網接觸力平均值Fm和接觸力標準差σ隨著速度的增加而增大，表明受電弓上下空氣壓差將會增大，進而增加受電弓豎向升力，導致弓網受流穩定性變差。

（2）速度為190和200 km/h時的接觸力波形圖中，在K186+735～K186+935的測試區間內，前弓與后弓接觸力出現突變的趨勢，并且后弓最小接觸力為0 N，出現了弓網離線的情況，這是由于在該區間內存在接觸線接頭續接的情況，導致接觸力出現突變和弓網離線。

（3）由以上接觸力指標統計圖（圖3）可以看出，隨著速度的提高，Fm- 3σ的值呈現下降的漸變趨勢，在各個速度等級下弓網最大接觸力不超過220 N，弓網最小接觸力除上述第（2）條情況以外大部分在10 N以上，由于后弓施加的靜態抬升力比前弓要大，所以后弓動態接觸力相比于前弓要大，且前弓振動引起的接觸線振波對后弓存在一定影響[6]，后弓受流穩定性比前弓略差。

（4）在隧道里程K187+478.6第2個錨段膨脹接頭附近（由于篇幅原因未顯示其波形圖）接觸力出現峰值的趨勢，且出現后弓最大接觸力接近220 N的情況，比第1個錨段的膨脹接頭附近的接觸力峰值大，這是由于膨脹接頭安裝精度差異導致。

6 結論

（1）Stanton隧道剛性懸掛系統弓網測試過程中，接觸線接頭附近出現接觸力為0 N的情況，可以推測接觸線放線時其續接工藝和安裝精度不達標，可能存在兩接觸線接頭間隙過大，或接觸線出現扭擰，需要深入現場排查并采取整治措施。

（2）Stanton隧道剛性懸掛系統弓網測試為剛性接觸網中接觸力硬點的分布提供了定位和查找依據，從弓網接觸力波形圖中能夠直觀地反映接觸力突變情況，為Stanton隧道剛性接觸網運營的狀態修制定提供數據支持。

（3）剛性接觸網系統影響弓網受流的因素還包括軌道幾何質量、隧道通風井處氣動效應、滲漏水對道床影響等，以上因素可對受電弓運行平穩性和跟隨性造成一定影響，應進行綜合分析和判斷。

（4）對Stanton隧道剛性接觸網系統進行了145～200 km/h共5個速度等級的弓網測試，采用Brecknell Willis HSX 250型受電弓，且在弓間距為200 m情況下，弓網測試接觸力統計特征值關系滿足評價指標要求，表明Stanton隧道剛性接觸網系統以時速200 km運行具備適應性和可行性。